基于单片机的数码录音机设计

I摘 要本设计是基于单片机的数码录音机设计，主要任务是实现简单的录音和播放功能。系统可以使用单片机的外扩 A/D 和 D/A 转换器来实现录音播放功能，也可以选用专用的语音芯片。 本文从经济实用的角度出发，设计了一款具有按键控制、录音、播放模式的单片机语音录放系统；硬件部分选用美国 Atmel 公司的 AT89C52 单片机作为主控芯片，并与 ISD2560 语音录放芯片相结合，添加外围的控制电路、键盘、扬声器等设备来实现语音录放功能，软件部分主要采用单片机 C 语言来编写主控芯片的控制程序和 EEPROM 读写程序；该设计能真实的再现语音的自然效果。关键词关键词 语音芯片 ISD2560 单片机 AT89C52 IIAbstract The design is based on the design of single chip digital recorder, the main task is to achieve a simple recording and playback functions. System can be expanded using external microcontroller A / D and D / A converter to achieve the recording playback, you can also use a dedicated audio chip.From the economical point of view, has designed a button control, recording, voice recording and playback mode of SCM systems; hardware selected Atmels AT89C52 microcontroller United States as the main chip, and with the ISD2560 voice record chip combination, add External control circuit, keyboard, speakers, voice recorders and other equipment to achieve the function, the software part of the C language used mainly to prepare the master microcontroller chip and EEPROM read and write control program procedures; a true representation of the design is the natural effect of voice.Key words ISD2560 voice chip SCM AT89C52III目 录摘 要.IAbstract.II绪 论 .1第 1 章 课题的技术发展 .21.1 语音芯片.21.2 单片机.31.2.1 单片机硬件开发原理.31.2.2 单片机软件开发原理.4第 2 章 课题的任务分析及总体设计方案 .52.1 任务分析.52.2 总体方案设计.52.3 元器件选择.62.3.1 单片机选择.72.3.2 语音芯片的选取.8第 3 章 硬件电路设计 .123.1 AT89C52 单片机最小系统.133.1.1 AT89C52 单片机主要功能特性及引脚分布图和管脚说明.143.1.2 单片机的电源电路.163.1.3 AT89C52 单片机的复位电路.173.1.4 AT89C52 单片机时钟电路.173.1.5 录音/播放控制电路.183.2 语音芯片 ISD2560 电路.183.2.1 ISD2560 主要功能特性及引脚说明.183.2.2 语音录放电路语音芯片 ISD2560 部分原理图及说明.223.3 整体电路图.233.4 PCB 图.25第 4 章 软件设计 .264.1 程序流程.264.2 录音子程序流程图.27IV4.3 放音子程序流程图.28第 5 章 设计仿真结果与说明 .295.1 Keil 软件概述与编译结果 .295.1.1 Keil 软件概述 .295.1.2 Keil 编译结果 .295.2 Proteus 软件概述与仿真结果.305.2.1 Proteus 软件概述.305.2.2 Proteus 仿真过程.31结 论 .36参考文献 .38附 录 1 .39附 录 2 .431绪 论随着人类社会不断的进步，随着语音芯片的普及，语音播报被广泛应用于车站报站器，语音型数字万用表，出租车语音报站器，排队机等，并且面向家庭个人使用的方向发展，更加人性化。随着电子技术的广泛应用，其自动化程度越来越高，使用范围越来越广，前景十分喜人。自动语音提示技术是计算机语音处理技术的一种应用，属于语音再生合成技术范畴。录放系统具有电路简明、应用方便、单片录放、不怕掉电、音色纯正、性价比高等特性，与此相关的语音系统已广泛地用于通信、工控、医疗、报警示讯等领域1。语音是人类最自然、方便、快捷的交流方式，让人和机器能够通过自然语音进行交流是人们长期以来的梦想。随着单片机技术的日益发展，人们已经不再满足于键盘输入，屏显输出这样传统的输入/输出方式，希望拥有更好的人机界面，更便捷的操作方式。具有语音功能的单片机系统于是应运而生，而且得到了广泛的应用。近年来计算机在各行业的日益普及应用，给各行业带来了崭新的面貌。与此同时用户逐步对各种计算机应用系统提出了更高的要求，他们希望自己的系统有更高的自动化程度和更方便的人机界面。语音技术的进展给这种应用需要提供了一种有力的技术支持，逐渐被广大用户所接受，并广泛用于各种需要语音响应的场合。智能仪器、仪表、监控设备、工业控制系统等都有这种需求。所以研究语音播报器对生产，生活都有极其重要的意义2。2第 1 章 课题的技术发展1.1 语音芯片本课题涉及的主要技术主要包括单片机技术和语音芯片技术。语音芯片的发展是极其迅速的，语音 IC 有很多种类，随着技术的发展，新产品不断涌现，原来可望而不可及的昂贵品种也能进入廉价的市场领域，原来设计控制都极为复杂的品种也随着集成技术的发展变得非常简单，因此，语音 IC 领域充满了生机和活力。随录随放型语音 IC：这类 IC 具有完整的录音机功能，和录音磁带机一样，它可以自由地通过话筒或模拟音频线路来进行录音，把语音存储到 IC 内部，在用户需要的时候，就可以还原存储的语音通过驱动喇叭放音。这其中又分几种类型：1.怕断电且语声的存储、保存需要比较大的电流的语音 IC。像外语复读机里的语声复读芯片。这种电路以动态随机存储器（DRAM）IC 为介质，它需要不断内部刷新，要保存其中的语声还需要比较大的电流消耗，通常需要几个到几十个毫安，一断电内部存储的语声就全部丢失了。特点是 DRAM 的价格便宜。这种 ADRAM 在电脑等需要精密计算的产品中是不能使用的，但在语声存储中只是多了一点点噪音对使用没有太大影响，因而在复读机中广泛使用。2.怕断电且语声保存需要很小的电流的语声 IC。像一些录音贺卡，这种语声 IC 以静态存储器（SRAM）IC 为介质，断电时保存的数码语声即丢失，但维持保存的工作电流很小，通常只有几微安，在录音贺卡等录音礼品中常将几粒扣式电池嵌入到产品中，这样可以保存录音几个月甚至一年多。特点是只用很小的电力就可以较长期保存话声。由于 SRAM 的需求量很小，其价格比DRAM 要高很多，相在甚至比下面要提到的 FLASHRAM 还要高，这类产品目前只存在于 20 秒录音以下的品种中，多数就是做录音贺卡使用，已经没有多少发展前景了。3.不怕断电的语声 IC，像一些数码录音笔，它以闪烁存储器（FLASHRAM）IC 为介质，完全断电后语声还能保存十年以上。这种存储器是目前最被看好的方向，它可以反复使用、不需要电流也能很长期保存内部数据，由它制成的语声 IC 是一场技术的革命。特点是目前价格较高，但在快速3滑落中。美国 ISD 公司专门研制这类产品，并持有多项技术专利，生产从 6 秒至 16 分钟的一系列单片式语声芯片产品。由于该公司的严谨作风和产品定位，ISD 系列芯片的功能强大、性质质量优越，几乎是目前能使用在工业、车用产品中的极少选择之一3。1.2 单片机单片机全称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer),顾名思义,它指的是一种单硅片上集成微型计算机主要功能集成芯片.单片机的出现要归功于大规模集成电路技术的发展,就组成和功能而言,可以毫不夸张地说,它正如一个微型计算机系统,内部集成了中央处理器(CPU)、随机数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、定时器/计数器、输入/输出(I/O)接口电路和串行通信接口等主要功能部件。单片机最初主要应用于控制领域，在发展过程中又进一步扩展了各种控制功能，它可以独立执行程序，所以它又被称为微型控制器（Microcontroller） 。单片机按系统可分为：MCS-51 单片机、AVR 单片机、PIC 单片机。1.2.1 单片机硬件开发原理单片机系统硬件开发原理：单片机硬件开发主要包括设计系统的电路原理图，绘制印刷电路板（PCB 板） 、印刷板的焊接与测试。而一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：系统扩展，即单片机内部的功能单元，如RAM、ROM、I/O 接口、定时器、计数器、中断系统等，容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计恰当的电路；系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A 转换器等，要设计合适的接口电路。系统的扩展和配置设计应遵循下列原则：1.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好基础。2.系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。3.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。4但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间比直接用硬件实现要长，而且占用 CPU 时间。因此，选择软件方案时，要考虑到这些因素。4.整个系统中相关的器件要尽可能做到性能相匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片；选择CMOS 芯片单片机构成低功耗系统时，系统的所有芯片都应该选择低功耗的产品。5.可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线，通道隔离等。6.单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，曾设线驱动器或减少芯片功耗，降低总线负载。1.2.2 单片机软件开发原理单片机软件开发原理：单片机系统软件是根据系统功能要求设计的，应可靠地实现系统的各种功能。优秀的系统软件开发应遵循以下原则:1.软件结构清晰、简捷、流程合理。2.各功能程序实现模块化、子程序化、这样既便于调试、链接，又便于移植、修改。3.程序存储区、数据存储区规划合理，既能节约内存容量，又使操作方便。4.运行状态实现标志化。各个功能程序运行状态、运行结果以及运行要求都设置状态标志以便查询，程序的转移、运行、控制都可通过状态标志条件来控制。5.经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改“痕迹”。规范化的程序便于交流、借鉴，也为今后的软件模块化、标准化打下了基础。6.全面实现软件抗干扰设计。软件抗干扰是计算机应用系统提高可靠性的有力措施。7.为了提高运行的可靠性，在应用软件中设置自诊断程序，在系统工作运行前先运行自诊断程序，用以检查系统各特征参数是否正常。5第 2 章 课题的任务分析及总体设计方案2.1 任务分析设计基于单片机的数码录音机系统。主要任务是实现简单录音和播放功能。系统可以使用单片机外扩 A/D 转换器和 D/A 转换器来实现上述录播放功能，也可以选用专用录音芯片。设计中应给出相应的方案分析，最终选择一种方案，并设计相关软硬件系统。基本要求：1、有开关按键控制系统；2、有录音、播放模式的控制；3、能够对不超过 60 秒的语音实现录音。本设计的主要任务：根据设计要求，提出基于单片机的语音录放器的硬件设计方案，并应用Protel 软件完成硬件电路原理图设计。通过对单片机的编程开发可以实现语音的录放等基本功能。具体包括如下几个部分：1.学习单片机的工作原理，并应用 Protel 软件设计出单片机的最小系统和语音系统的控制电路，使其能可靠工作。2.学习有关语音方面的相关知识，采用集成语音芯片来实现语音的录放功能。要求掌握该芯片的工作原理，完成其外围电路和单片机的接口电路，包括话筒和扬声器的电路设计。3.学习 C 程序的设计语言，对单片机进行编程开发。并完成仿真和调试，实现语音录放的基本功能。2.2 总体方案设计在声学领域，单片机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音合成技术，使得单片机语音系统的实现成为可能。所谓语音芯片，就是在人工或者控制器的控制下可以录音和放音的芯片。语音芯片存储播放声音的基本工作方式为：6声音模拟量A/D存储D/A模拟量播放。采用 AD/DA 方式的语音芯片外围电路比较复杂，声音质量也有一定的失真。而存在一类语音芯片采用 EEPROM 存储方法，将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，不需加A/D 和 D/A 变换电路，使用方便，且语音音质自然。在我的设计中即采用这种模拟语音数据直接存储到语音芯片的设计。以单片机为核心的语音录放系统的功能框图，如图 2-1 所示。单片机最小系统语音录放系统话筒麦克风图 2-1 单片机语音录放系统框图其中单片机最小系统完成单片机的基本特征，它包括时钟、电源、复位等部分。如图 2-2 所示。AT89C52单片机按键控制 复位电路系统时钟外部RAM图 2-2 单片机最小系统框图语音录放系统则选用专门语音录放芯片 ISD2560 芯片作为核心，结合外围话筒和麦克风来完成语音录放功能。进行语音录放的操作如下：按下开始键，启动录音，松开开始键，结束录音。72.3 元器件选择本文所述系统主要器件包括单片机，语音芯片 ISD2560 等。2.3.1 单片机选择近年来，随着科学技术的发展，微型计算机技术日益发展，已经在许多领域得到了广泛的应用。随着集成电路工艺的发展，出现了单片机、DSP、ARM 等多种单片机。DSP：16 位-32 位，内部采用哈佛结构，特别适合数据处理。其中 16 位 DSP 适合中高级工控到简单语音/图片（不含视频）处理，其中 32 位 DSP 适合复杂语音/图片/视频处理。ARM：是 32 位单片机，由于结构和计算速度的原因，目前适合做事物处理或者中低端应用，从中高级工控到简单/图片（不含视频）处理。AT89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 为微处理，俗称单片机。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术，与工业标准 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的 AT89C52 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案5。51 单片机虽然和 DSP,ARM 相比处理速度和运算速度上都比较慢，但它的体积小、质量轻、价格便宜，它的速度可以满足本设计的要求，所以我们采用 AT89C52 这款单片机。AT89C52 内部原理图，如图 2-3 所示：8图 2-3 AT89C52 内部原理图2.3.2 语音芯片的选取目前市场上流行的语音芯片很多，从性价比的角度考虑，美国 ISD 公司的 ISD 系列语音芯片可谓一枝独秀。ISD 系列语音芯片具有以下优点。1.采用模拟数据在半导体存储器直接存储的专利技术，即将模拟语音数据直接写入单个存储单元，不需经过 A/D、D/A 的转换。2.内部集成了大容量的电可擦除只读存储器（EEPROM） ，不再需要扩展存储器。3.控制简单，控制引脚与 TTL 电平兼容。4.集成度高、使用方便。5.能较好地真实再现语音的自然效果，避免了一般固体语音电路因为量化和压缩所造成的量化噪声和失真现象6。因此，在以单片机为核心的语音录放系统中，选用 ISD 公司的语音系列芯片 ISD2560、ISD2575、ISD2590 和 ISD25120，这 4 种芯片的主要区别在于存储语音的时间长度，ISD2560 的录音时间为 60s，ISD25750 的录音时间为975s，ISD2590 的录音时间为 90s，而 ISD25120 的录音时间为 120s。考虑到经济原因，最后选用 ISD2560。ISD2560 采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个 EEPROM 单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，从而避免了一般固体录音电路因量化和压缩所造成的量化噪声和“金属声”。该器件的采样频率为 8KHZ，同一系列的产品采样频率越低，录放时间越长，但通频带和音质会有所降低。ISD2560 可重复播放 10 万次，它是一种永久记忆型语音播放电路，它有音质自然、使用方便、单片存放、反复录音、低功耗、抗断电等许多特点，因此在许多领域获得了广泛的应用7。ISD2560 省去了 A/D 和 D/A 转换器，集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和 480KB 的 EEPROM。ISD2560 内部的 EEPROM 存储单元均分为 600 行，有 600 个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每个地址单元的地址分辨率为 100ms。此外，ISD2560 还具备微控制器所需的控制接口。通过操作地址和控制线可完成不同的任务，以实现复杂的信息处理功能，如信息的组合、链接、设定固定的信息段和信息管理等。ISD2560 可不分段，也可按最小段长为单位来任意组合分段。ISD2560 的主要功能特性如下：易实现单片机语音录放。高质量、自然的语音还原技术。人工控制或者微控制器控制声音播放，内置微控制器串行通信接口。录音时间可达 60s。录音存放在芯片上的非易失内存单元，提供零功耗信息存储。去除了电池备份电路。直接级联可以实现更长的录音时间。信息可无电保存 100 年。重复录音最多可达 10 万次。具有多段信息处理功能，最大可分 600 段。自动节电模式，此时电流仅为 1uA。+5V 供电。 10图 2-4 ISD2560 内部原理图ISD2560 内部原理图，如图 2-4 所示。该系列芯片集成度很高，内部集成了高精度的时钟电路，故而无需外部配置晶振，录音应用电路也得到大大简化。ISD2560 可进行录、放两种操作。录入时，语音信号经过换能器 MIC 转变为信号，该信号经过隔直电容去除直流分量后送入前置放大器，由于器件具有高输入阻抗，故耦合电容容量很小，可为 0.17，微弱的电信号经过前置放大后由ANAOUT 脚输出，经过隔直电容后送入 ANAOUT 脚，这种配置方式可以方便用户自行设计性能更加优良的前置放大器代替芯片内部已有的功能部件，另外 ANAIN 可作为线输入口，直接输入电声信号，既而信号进入自动增益AGC 放大器，信号电平得到调理，使其符合存储电路的动态范围，AGC 响应时间由连接在 AGC 脚的外界电阻、电容值确定。为使得采样信号不产生失真，采样系统必须满足乃奎斯特采样定律。ISD2560 的采样频率 8K，故实际应用中，为存储不失真音频信息，放大后的信号必须经过一个低通滤波器后方可送入存储单元，该滤波器为一五极点抗干扰滤波器，高频频限为 3.4K,完全满足乃奎斯特定律，该器件典型带宽为 3.4K。语音音质非常好，调理完毕的信号在内部时钟的作用下以闭环控制形式送入模拟存储阵列。如图 2-5 所示。11 取样保持比较器电子泵入模拟存储图 2-5 闭环存储电路被采样信号经采样电路取样保持，同时电子被泵入模拟存储单元，此时两者被送入比较器的比较端，当两者电平相等时则停止向 EPROM 中写入数据，这样模拟信息得到了存储。在器件的放音模式下，录入的模拟电压在取样脉冲的作用下，顺序的从模拟矩阵中读出并恢复为原始波形，经五极点平滑滤波器后入混合器，以便与外界其他信号混合，而后送入功率放大器，并由 SP+，SP-端输出，可直接驱动扬声器8。ISD2560 应用电压：单 5V 供电；录/放时间：60s；寻址空间：1024 位；最多语音分段：600 支持 OVF 溢出；支持节电模式：录放操作周期外电流仅为：0.5A综合本设计的设计方案可知：主要的硬件电路有单片机最小系统和语音模块的电路及其外围电路，及其接口电路。其中单片机最小系统包括电源电路，复位电路和时钟电路。所以根据上面的内容，可以将本例的功能模块划分为：单片机最小系统：组成系统的控制电路语音录放电路：包括语音芯片的外围电路和单片机的接口电路。可完成对语音的录音存储、播放。软件部分用单片机 C 语言编写程序，单片机程序控制语音芯片的正常工12作。并且利用 Keil 与 Proteus 对系统进行仿真调试。第 3 章 硬件电路设计单片机实现语音录放的硬件电路主要由单片机和语音芯片构成，硬件电路设计的重点是单片机最小系统以及语音芯片的外围电路以及他和单片机的接口电路。单片机实现语音录放的硬件电路由单片机芯片 AT89C52 和语音芯片ISD2560 及它们的接口带你路构成。电路实现的功能如下： 1.按下开始健，启动录音；松开开始健，结束录音。注意，录音时间不能超过预先设定的每段语音的时间。2.结束录音后，循环播放所录声音 3 次。硬件电路绘图软件介绍Protel99SE 是 Protel 公司近 10 年来致力于 Windows 平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的 Protel 最新产品已不是单纯的 PCB（印刷电路）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以 PCB 为核心的整个物理设计。最新版本的 Protel 软件可以毫无障碍地读 Orcad、Pads、Accel（PCAD）等知名EDA 公司设计文件，以便用户顺利过度到新的 EAD 平台。Protel99se 就是由早期 protel 版本发展而来的基于windows95、windows98、windows2000 环境的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电原理图设计、仿真等，集成电路设计与开发环境与一体化。利用 Protel 进行电路设计需要二个步骤，如图 3-1 所示。图 3-1 protel 设计电路步骤图本设计利用 protel 软件画的硬件电路图主要有单片机 AT89C52 的最小系统和语音芯片 ISD2560 电路及它们的接口电路。绘制原理图完成 PCB 印制电路版绘制133.1 AT89C52 单片机最小系统单片机是实现语音录放的硬件设计的核心器件之一，由它控制语音芯片实现对声音的存储和播放。该设计用 Atmel 公司的 AT89C52 作为单片机芯片，它完全能够满足要求，而且极为常用，价格便宜，易于获取。单片机最小系统，如下图 3-2 所示。图 3-2 单片机最小系统图 单片机芯片为 AT89C52，工作于 11.0592MHz 的时钟。单片机可以配置ISD2560 的操作模式。单片机的 P1.5 脚控制语音芯片 ISD2560 的录放模式选择，低电平置 ISD2560 为录音状态，高电平置 ISD2560 为放音状态。单片机的 P1.6 脚和 ISD2560 的节电控制输入相连，单片机通过此引脚可以控制芯片的开关，单片机的 P1.7 脚用于控制语音芯片的片选，低电平时选中芯片。单14片机的 INT0 脚、P1.4 和 ISD2560 的 EOM 标志输出相连，EOM 标志在录音时由芯片自动插入到录音信息的结尾处，放音遇到 EOM 时，会产生低电平脉冲（约 12.5ms） ，触发单片机中断，单片机必须在检测到此输出的上升沿后才到播放新的录音，否则播放的语音就不连续，而且会产生“啪啪”声。3.1.1 AT89C52 单片机主要功能特性及引脚分布图和管脚说明AT89C52 功能管脚，如图 3-3 所示：图 3-3 AT89C52 引脚分布图可知 AT89C52 单片机包括 GND，VCC 在内的 40 个引脚下面着重介绍以下几个重要的引脚。P0 口由一个输出锁存器，2 个三态级输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。驱动电路有上拉场效应 FETT1 和驱动场效应管 FETT2 组成。P0口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 小时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FLASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FLASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。15P1 口是一个准双向口，用作 I/O 口。P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P2 口比 P1 口多了一个 MUX 开关和转换开关控制部分。P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口是一个多功能端口。P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C52 的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD (串行输入口)P3.1 TXD（串行输入口）P3.2/INT0(外部中断 0)P3.3/INT1 （外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6/WR(外部数据存储器写选通)P3.7/WR（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接受一些控制信号。RET：复位输入，当振荡器复位器件时，要保持 RET 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG 为地址锁存允许信号端。当 AT89C52 单片机上电正常工作后，ALE 引脚不断向外输出脉冲信号，此频率为振荡器频率的六分之一。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在16FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器的 1/6。因此它可用作外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想禁止 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/PSEN 为程序存储允许输出信号端。外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这俩次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/Vpp 为外部程序存储器的地址的输入端/固化编程电压输入端。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。当/EA 端保持高电平时，CPU 则执行内部程序存储器中的程序。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。XTAL2 接外部晶体和微调电容的一端。在 AT89C52 片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。若采用外部时钟电路，则该引脚悬空。要检查 AT89C52 的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看 XTAL2 端是否有脉冲信号输出。XTAL1 接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。3.1.2 单片机的电源电路在电源引脚并联一个 0.1uf 的小电容目的是：滤波。引入滤波电容的原因是要获得平滑稳定的电压，因为电容两端的电压不能突变，所以它能抑制电压的波动，使电压变得平稳光滑主要作用有两个：去除器件之间的交流射频耦合。它能将器件的电源端上瞬间的尖峰、毛刺对地短路掉。同时也能去耦。如图3-4 所示。 17图 3-4 电源电路3.1.3 AT89C52 单片机的复位电路AT89C52 单片机在启动时需要复位，使 CPU 及各系统各部件处于确定的初始状态，并从出态开始工作。89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内部的斯密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个极其周期（24 个振荡周期） ，则CPU 就可以响应并将系统复位。通过连通一个按钮开关，使单片机进入复位状态。如图 3-5 所示。图 3-5 复位电路3.1.4 AT89C52 单片机时钟电路AT89C52 芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，反相放大器的输入端为 XTAL1。输出端为 XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容 C1 和 C2 通常取 22pf 左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。震荡脉冲频率范围为 0-24MHZ。如图 3-6 所示。18 图 3-6 时钟电路图3.1.5 录音/播放控制电路用 P1.0 做录音播放控制电路，加阻值为 1k 的下拉电阻，当按键未按下时，P1.0 为低电平；按键按下后为高电平。 如图 3.7 所示。图 3.7 录音/播放控制电路3.2 语音芯片 ISD2560 电路3.2.1 ISD2560 主要功能特性及引脚说明根据上面的说明，语音芯片选用 ISD 公司的 ISD2560 共有 3 种封装形式：32 脚的 TSOP 封装、28 脚的 DIP 封装和 25 脚的 SOIC 封装。该设计选用SOID 封装，其引脚分布，如下图 3-8 所示。19 图 3-8 语音芯片 ISD2560 引脚分布示意图其引脚功能如下：A0/M0A6/M6、A7A9（110 脚）：地址线/模式输入，共有 1024 种组合状态。最前面的 600 个状态作内部存储器的寻址用，最后 256 个状态作为操作模式。当 A8 或 A9 有一个为 0 时，为地址线，作为当前录/放操作的起始地址，地址端只作输入，不输出操作过程中的内部地址信息，地址输入在 CE的下降沿，并被锁存。当 A8 和 A9 均为 1 时，为模式输入，共 6 种操作模式，由 M0M6 决定，允许多种模式同时存在。AUXIN（11 脚）：铺助输入。当 CE 和 P/R 为高，放音不进行或处于放音益处状态时，此引脚的输入信号通过内部输出放大器驱动扬声器输出端。当多个 ISD1560 芯片级联时，后级的扬声器输出通过此引脚连接到本级的输出放大器。VSSD、VASS（12、13 脚）：数字和模块地。由于芯片内部使用不同的模块和数字地线，因此这两脚最好通过低阻抗通路连接到地。SP+、SP-(14、15 脚)：扬声器输出。可驱动 16 以上扬声器（内存放音时，功率为 12.2mW；AUX IN 放音时，功率为 50mW） 。ISD2500 系列的所有器件都有一个在芯片上的差分扬声器驱动器。扬声器输出脚在录音和节电模式时保持为 VSSA 电平，因此，多个 ISD2500 系列器件一起使用时，它们的扬声器输出脚不能并接，并行连接可能会造成芯片的损坏。单端输出时必须在SP 输出脚和扬声器间接耦合电容，双端输出既不能用电容由能将输出功率提20高至 4 倍。VCCA、VCCD（16、28 脚）：模拟和数字电源。为了最大限度地减少噪声，芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上。模拟和数字电源端最好分别走线，并应尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容则应尽量靠近芯片。MIC IN（17 脚）：话筒输入脚。麦克的输入通过此引脚将信号送至片内的前置放大器，片内自动增益控制电路（AGC）将此前置放大器的增益控制在-15+24dB。外接话筒应该通过一系列电容交流耦合进此引脚，耦合电容值和芯片内部此引脚的 10k 输入阻抗共同决定了 ISD2560 芯片频带的低频截止点。MIC REF（18 脚）：话筒参考输入脚。此引脚是前置放大器的反向输入，当以差分形式连接话筒时，可减少噪声，提高共模抑制比。AGC（19 脚）：自动增益控制脚。AGC 可动态调整前置增益，以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量（从耳语到喧器声）时失真都能保持最小。响应时间取决于该端内置的 5k 电阻和从该端到 VSSA 端所接电容的时间常数，释放时间取决于该端外接的并联对地电容和电阻设定的时间常数。选用标称值分别为 470k 的电阻和 4.7F 的电容可以得到满意的效果。ANA IN（20 脚）：模拟输入端。此引脚为芯片录音信号输入脚。对话筒输入来说，应将 ANA OUT 脚通过外接电容连至此脚，该电容和本端的 3k输入阻抗决定了芯片频带的附加低端截止频率。其他音源可以通过交流耦合直接连至该端。ANA OUT（21 脚）：模拟输出脚。此引脚为前置放大器的输出，其前置电压增益取决于 AGC 端电平。OVF(22 脚)：溢出标志输出脚，低电平有效。芯片处于存储空间末尾时，此引脚输出低电平脉冲以表示溢出，之后该引脚状态跟随 CE 引脚的状态，直到 PD 引脚变高复位芯片。此外，该引脚可用于级联多个 ISD2500 系列器件以增加录音存储的时间。CE（23 脚）：芯片使能输入脚，低电平有效。此引脚为低使能所有的录音和播放操作。芯片在该引脚的下降沿将锁存地址线和 P/R 引脚的状态。另外，此引脚在模式 M6 中也有特殊的意义。PD（24 脚）：节电控制脚。此脚拉高可使芯片停止工作而进入节电状态。21芯片发生溢出，即 OVF 脚输出低电平后，应将此引脚变高以将地址指针复位到录、放空间的开始位置。另外，此引脚在模式 M6 下还有特殊的用途。EOM（25 脚）：信息结尾标志输出脚，低电平有效。EOM 标志在录音时由芯片自动插入到该信息段的结尾。当放音遇到 EOM 时，此引脚输出低电平脉冲。另外，ISD2560 芯片内部会自动检测电源电压以维护信息的完整性，当电压低于 3.5v 时，此引脚变低， 此时芯片只能放音。在模式状态下，可用来驱动 LED，以指示芯片当前的工作状态。XCLK（26 脚）：外部时钟输入脚。此脚内部有下拉元件，不用时应接地。芯片内部的采样时钟在出厂前已经调节校准，误差在 1%以内。ISD2560 的采样率为 8kHZ，需要 1024kHZ 的外部时钟。P/R（27 脚）：录、放模式选择脚。此引脚在 CE 的下降沿锁存，高电平选择放音，低电平选择录音。录音时，由地址线提供起始地址，直到录音持续到 CE 或 PD 变高，或内存溢出。如果是前一种情况，芯片将自动在录音结束处写入 EOM 标志。放音时，由地址输入提供起始地址，放音持续到 EOM 标志。如果 CE 一直为低，或芯片工作在某些操作模式，放音则会忽略 EOM 而持续进行下去，直到发生溢出为止。由于 ISD2560 内置了若干种操作模式，因而可用最少的外围器件实现最多的功能。具体操作模式如表 3-1 所示：表 3-1 ISD2560 语音芯片操作模式模式功能典型应用组合使用模式M0信息检索快进通过信息M4、M5、M6M1删除EOM在最后一条信息结束处放 EOMM3、M4、M5、M6M2末用保留N/AM3循环从 0 地址连续M6 的多段信息M1、M5、M6M4连续寻址录放连续的多段信息M0、M1、M5M5CE 电平有效允许暂停M0、M1、M3、M422M6按键模式简化外围电路M0、M1、M3操作模式可由微控制器或硬件实现。使用操作模式要注意两点:1.所有操作最初都是从 0 地址（即存储空间的起始端）开始。后续的操作根据选用的模式可从其他地址开始。但是，电路由录转放或由放转录（M6 模式除外） ，或都执行了掉电周期后，地址计数器将复位为 0。2.当 CE 变低且最高两地址位同为高时，执行操作模式、这种操作模式将一直有效，直到 CE 再次由高变低，芯片重新锁存当前的地址模式引脚电平，并直到执行相应的操作为止。3.2.2 语音录放电路语音芯片 ISD2560 部分原理图及说明语音录放电路语音芯片 ISD2560 原理图；如图 3-9 所示。图 3-9 语音芯片原理图ISD2560 芯片集成度高，内部 EEPROM 存储器单元均分为 600 行，存600 个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨100ms，此外，ISD2560 还具备微控制器所需的控制接口，通过操纵地址和控23制线可完成不同的任务，以实现复杂的信息处理功能9。由于 ISD2560 是数模混合的芯片，因此对数字信号和模拟信号的处理是PCB 设计需要着重考虑的问题。在芯片内部使用不同的模拟地和数字地、模拟电源和数字电源，他们分别通过 VSSA、VSSD、VCCA 和 VCCD 引出。VSSA、VSSD 两引脚最好通过低阻抗通路连接到地平面；VCCA 和 VCCD 最好也分别走线，并应尽可能在靠近供电端处相连，电源脚附近的去耦电容应尽量靠近芯片。3.3 整体电路图数码录音机整体电路图；如图 3-10 和 3-11 所示。图 3-10 数码录音机整体电路图（一）24图 3-11 数码录音机整体电路图（二）253.4 PCB 图由于要求最终实现实物演示，因而根据原理图画出如下图，将 PCB 图送至工厂加工成印制电路板，完成对应器件焊接，烧写程序后即可完成实物演示。由于制版费较贵，加上元器件购买花销较高，因而实物演示等工作未能进行。如图 3-12 所示。图 3-12 语音录放电路的 PCB 图26第 4 章 软件设计单片机实现语音录放的软件设计较为简单，主要通过单片机对 ISD2560的控制实现指定地址入口的录音和循环播放。4.1 程序流程程序流程要实现下面过程：“开始”键按下后，单片机控制 PD、P/R 引脚为低电平，并指定录音地址，启动录音过程。在预先设定的时间内（60s）结束录音，松开“开始”键，单片机控制 P/R 引脚回到高电平，即完成一段语音的录制。之后打开外部中断0，指定放音地址，启动放音程序，每次放音结束时，EOM 输出会触发单片机的外部中断 0，经过适当的延时后，重新启动第二次放音，这样重复 3 次后关闭外部中断 0，流程结束，等待下一次录音。程序流程图如 4-1 所示：27 开始初始化开始键按下调用录音函数开始键松开延时打开外部中断0是是否否外部中断零服务子程序关闭外部中断0Count=2?Count+延时打开外部中断调用播放函数回主函数图 4-1 语音录放系统程序流程图4.2 录音子程序流程图“开始”键按下后，即系统上电后，系统初始化，然后判断开始键是否按下，如果按下则单片机控制 PD,P/R 引脚低电平，并指向录音地址，启动录音过程。录音子系统程序流程图，如图 4-2 所示。调用录音函数，录音函数为：/*录音函数*/Void record (void) CE=0; /片选有效 PD=0; /非节电模式 PR=0; / 录音当 CE=0 时芯片使能输入引脚，使能所有的录音操作。28当 PD=0 时使芯片开始工作，而进入非节电模式。当 PR=0 时开始录音，录音时，由地址线提供起始地址，直到录音持续到CE 或 PD 变高，或自动溢出。在预定设定的时间内， （小于 60s）结束录音，松开“开始”键单片机控制 P/R 引脚回到高电平，即完成一段语音的录音。 图 4-2 录音程序流程图4.3 放音子程序流程图放音子程序流程图，如图 4-3 所示。结束录音后，打开外部中断 0，指定放音地址，启动放音程序，其放音函数为： /*放音函数*/Void playback （void） CE=0; /片选有效 PD=0; /非节电模式 PR=1; /放音当 CE=0 时芯片使能输入引脚，使能所有的放音操作。当 PD=0 时使芯片开始工作，而进入非节电模式。当 PR=1 时为高电平，这时选择放音，这时由地址输入提供其实地址，放开始初始化开始键按下调用录音函数开始键松开延时打开外部中断0是是否否29音持续到 EOM 位标志。每次放音结束时，EOM 输出会触发单片机的外部中断 0，经过适当的延时后，重新启动第二次放音，这样重复三次后关闭外部中断 0，流程结束，等待下一次录音。 图 4-3 放音系统流程图第 5 章 设计仿真结果与说明5.1 Keil 软件概述与编译结果5.1.1 Keil 软件概述本次设计的语音录放系统是以 AT89C52 为核心建立的系统，在软件编辑方面，需要对语音录和语音放俩部分分别构成的子函数进行编辑。在编辑中需要用 Keil C51 软件。Keil C51 是美国公司 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全外部中断零服务子程序关闭外部中断0Count=2?Count+延时打开外部中断调用播放函数回主函数30Windows 界面。另外更重要的一点是，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。5.1.2 Keil 编译结果Keil 编译结果，如图 5-1 所示。图 5-1 Keil 编译结果5.2 Proteus 软件概述与仿真结果5.2.1 Proteus 软件概述Proteus 软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。Proteus 是一个基于 Pro-SPICE 混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台。它包含 ISIS 和 ARES 应用软件。ISIS-智能原理图输入系统，系统设计与仿真的基本平台。ARES-高级 PCB 布线编辑软件。在 Proteus 中，从原理图设计、单片机编程、系统仿真到 PCB 设计一气呵31成，真正实现了从概念到产品的完整设计。Proteus 的特点: 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232 动态仿真、I2C调试器、SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如 Keil C51 uVision2 等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和 SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。Proteus 真正超群之处在于它对单片机电路的设计与仿真。它与单片机的程序设计软件 Keil 兼容，能够把 Keil 编译好的“*.Hex”文件置于入 Proteus 的单片机硬件中，从而实现软硬件一体的电路仿真。5.2.2 Proteus 仿真过程1.打开 Ptoteus 软件，首先进入 Proteus ISIS 编辑环境。选择 File/New Design 菜单项，在弹出的模板对话框中选择“DEFAULT”模板，并将新建的设计文件保存在自己所设定的文件夹下，文件名为 WuXin.DSN，如图 5-2 所示。32图 5-2 Proteus ISIS 编辑环境2.放置元器件，单击对象选择器按钮，弹出“Pick from Libraries”页面，在“Keyword”输入 AT89C52，系统在对象库中进行搜索查找，并将搜索结果显示在“Results”中，如图 5-3，5-4 所示。图 5-3 对象选择器窗口图 5-4 输入 AT89C52 后的对象库经过以上操作，在对象选择器窗口中，已有了 AT89C52 元器件对象，如图5-5 所示。33图 5-5 元器件对象3.在对象选择器窗口中，选中 AT89C52，将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置，单击鼠标左键，完成该对象的放置，如图 5-6 所示。34图 5-6 元器件放置图若对象位置需要移动，将鼠标移动该对象上，单击鼠标右键，此时该对象的颜色已变至红色，表明该对象已被选中，按下鼠标左键，拖动鼠标，将对象移至新位置后，松开鼠标，完成移动操作。4.元器件之间的连线，Proteus 的智能化可以在画线时进行自动检测。当鼠标的指针靠近元器件的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“”号，表明找到了元器件的连接点。单击鼠标左键，移动鼠标（不用拖动鼠标） ，将鼠标的指针靠近另一个元器件的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“”号，表明找到了元器件的连接点，同时屏幕上出现了粉红色的连接，单击鼠标左键，粉红色的的连接线变成了深绿色，并且线形由直线自动变成了 90的折线，这是由于选中了线路自动路径功能。5.在 Keil 中设置选项卡 ProjectOptions for TargetTarget。设置好后单击“确定”按钮，如图 5-7，5-8 所示。35图 5-7 Options for TargetTarget设置（1）图 5-8 Options for TargetTarget设置（2）366.Proteus 仿真结果，如图 5-9 和 5-10 所示。图 5-9 Proteus 仿真结果（一）图 5-10 Proteus 仿真结果（二）37结 论我设计的课题是语音播放器，经过几个多月的思考和准备，我已完成了老师规定的任务，通过做本设计，加深学习了 AT89C52 单片机的各项功能能，对 ISD2560 有了更深层次的了解，对 C 语言编写程序有了进一步的把握，我对我所做的语音播放器有如下总结：单片机实现语音录放介绍了一种基于 51 单片机控制的语音录放系统，它采用 ISD 单片语音录放集成电路系列中的 ISD2560 实现语音的存储和播放，ISD2560 采用直接电平存储技术，不仅省去了 A/D、D/A 转换器。而且语音自然真实。单片机实现语音录放主要表现在以下三点:1、语音芯片 ISD2560 与单片机接口的电路设计。2、ISD2560 地址/模式输入脚的使用，特别是高 2 位 A8、A9 的使用。3、控制脚 PD、P/R 和信息结尾标志输出脚 EOM 的使用。 38参考文献